达尔文的“痛风”及演化论的最新修正


邓肯和萧伯纳

一、萧伯纳又丑又蠢的孩子

爱尔兰剧作家萧伯纳有这样一个经典幽默广为流传,说是美国舞蹈家邓肯仰慕其才华,写信告诉他:“假如我们两个结婚生子,孩子拥有你的智慧和我的美貌,那该多好!”萧伯纳回信说,“要是生的孩子相貌像我,智慧如你,岂不糟糕!”

萧伯纳的故事道出了演化论的三大基础:遗传、变异和自然选择。遗传指的就是后代能够继承父母的特征,如美貌、智慧,诚如邓肯所期望;而变异指的是后代有可能和父母不同,如萧伯纳的担心;而自然选择可能更加倾向于让拥有智慧与美貌并存的后代繁衍生息,而让丑陋与愚蠢的断绝后代(也有可能相反)。

达尔文在1859年出版的《物种起源》中阐述了物种演变的自然选择原理,而对于遗传变异则知之甚少。直到人们重新发现了与达尔文同时期的孟德尔,所阐述的遗传定律,人们才开始将这两个理论融合起来,形成了当今主流的“现代综合理论”。

从1950年代初DNA双螺旋结构的发现,到2000年初“人类基因组计划”完成,50年的时间里,生物学已经让我们对于基因有了深入的了解,部分地知道了哪些基因(组)控制着智商、美貌以及身高、遗传病等等。由此诞生的分子遗传学,让我们更多地了解到了演化论中的遗传如何进行。

我们的外貌与智慧,遗传病与长寿,基因肯定是一方面,但有的基因并不表达出来。正如你去做一份个人DNA测序,结果可能是这么写的:根据测序,你有13%的概率患上乳腺癌。这样的测序的结果并不能告诉你任何有意义的事情。率先完成人类基因组测序、又制造过第一个人工细胞的克雷格·文特尔就这样说过:

我们从基因组当中只能得出遗传疾病发生的可能性而已。在临床医学中,如果告诉你罹患某种遗传病的可能性是1%或3%又有什么意义呢?这些信息一文不值。

——转引自安德烈亚斯·瓦格纳《适者降临》

二、你美丽的基因可能没有表达出来

我们知道,基因决定我们的某种性状,如美貌,这称之为基因型,而就是同样的基因却最终让我们每个人都如此不同,外观差异很大,这个叫做表现型。现代综合理论可以解释,一种新的性状(如漂亮),如何在群体中传播开来(因为人人都爱美),却没有解释为何出现(漂亮是怎么生出来的)。

变异从何而来?萧伯纳超出普通人的聪慧从何而来?邓肯的美貌又是怎么出现的?

话说,从基因到基因的表达,并非是一对一的关系。有些单个基因的变异很明显,例如决定了我们会说话的FOX2基因,导致了亨廷顿舞蹈症的四号染色体上的Huntington基因。但像是决定身高、样貌和智商的,是受多个基因的微小效应所影响(见《行为遗传学的十大可重复研究》第3条)。

例如,一个双胞胎,基因组几乎相同,然而一个婴儿得了急性白血病,另一个却健康活泼,为何有这种差异,这是研究基因型的遗传学所不能解释的。因此,一门叫做“表观遗传学”的领域兴起,研究的内容就是同样的基因如何最终表达成了不同的结果。

如果萧伯纳和邓肯生了一对双胞胎,可能的结果并非是美貌与智慧并存的一对,也不是丑陋与愚蠢的傻孩子,更可能是一对资质平庸、相貌平平的孩子。

决定基因最终表现的并非仅仅是基因,而是蛋白的修饰、调节因子等等一系列机制,绝不仅仅是基因那么简单。

三、达尔文的痛风

1968年,日本遗传学家木村资生,提出来一种“中性理论”学说,研究发现,基因突变很多时候是中性的,对于个体的繁殖和生存来说,不好也不坏,比如你耳垂的大小对于你生活和择偶来说,并不会造成什么影响。

既然是中性,就不会受到自然选择的影响,这种中性的突变仅仅是基因的遗传漂变产生的。也就是说每隔一段时间,我们的基因中就会有少量的基因出现了变异,这种变异时间间隔又比较稳定,所以就成为了测量生物演化的“分子钟”。

中性理论一度被认为是达尔文自然选择论的竞争对手,至少在分子演化层面如此。著名的古生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德就认为,中性突变极大地削弱了自然选择在演化和新性状形成中的作用。依此,他才会极力反对很多演化心理学家(和社会生物学家)把什么都当作是适应的产物的观点,或许只不过不小心留下的“拱肩”

圣马可教堂中的各色拱肩绘画

就这样,演化论如同晚年得了痛风的达尔文,好的那只脚是现代综合理论,而变异和表型基因是其痛风的那只脚,让他和他的理论一跛一拐地走入了21世纪。

现代综合理论主要关注群体遗传学,对于个体如何发育关注甚少。就是一个受精卵最终发育成一个个体,而不是一堆肉泥,是如何调控的?细胞如何知道什么时候变成腿,什么时候变成胳膊,先长脑袋还是先长内脏?

原本坐在生物学殿堂后排的胚胎学家,终于在20世纪后期,挤入到了前排,并开始作为一门“进化发生学”的学科登堂入室,走到了聚光灯下。

然而,胚胎学家手中有着很多的生物表现型研究,却没有可以和现代综合论相匹配的武器能够拿的出手,能把零散的实施搭建成一座大厦。这时候,计算机科学和数学也一共涌入到了这个领域里,治好达尔文的“痛风”,也渐渐有了“药方”。

四、处方里的君臣佐使

苏黎世大学进化生物学教授安德烈亚斯·瓦格纳的新作《适者降临》,便是这样的一剂“药方”,其开出的处方中的君臣佐使分别是:自组织性、标准化、组合网络和坚韧性。下面我们来详细了解一下这个配方。

安德烈亚斯·瓦格纳著《适者降临》

1、自组织性

自主性简直是常态,宇宙生成、地球诞生不消说没有任何神灵的干预,通过物理化学定律,恒星便可以出现,地球会俘获月球作为卫星。

生命也可以自组织诞生。以组成所有生命体的细胞膜为例,这种膜是由一种具有两亲性的脂质分子构成,一端亲水,一端亲脂。你如果把一些这种两亲性的脂质分子放到水中,亲水的那头就会向外与水接壤,而另一头则远离水的双层结构,便会自动形成一个气泡一样的形状。

两亲性的脂质分子形成囊泡

这种自组织性无处不在,只需要通过简单的化学合成。生命体内的各种新陈代谢过程,就是一个自组织系统,大概不需要你的大脑来命令,你只需要吃进去食物,肠道内的大肠杆菌就可以利用,把他们分解成你可以吸收的各种养料。大肠杆菌能够自我建构、自我增值,还能够自我修复,比你心爱的汽车要好得多。

2、标准化

如果全世界都使用一种插座,你在出国旅行的时候就不会因为忘记带了转换插头而烦恼了。标准化的好处就是让你可以有更多的选择余地。

地球上的所有生物都使用同一型号的“电池”:三磷酸腺苷(APT)。这是所有生物的标准能源物质。这仅仅是一个例子,所有生物还都使用同一种密码系统,就是我们熟知的四个碱基AGTC,而每三个核苷酸分子对应一个氨基酸。这就是让地球上能够出现如此多的生物,所拥有的标准化“设计”。

3、组合网络

假如你有间汽车制造厂,只有一种零件的标准化还不够,你得拥有丰富的储备库。比如你需要从几毫米到几米大的各式各样的齿轮,你还得有从小到大不同的轮胎以及其他零部件,才能组装一部汽车。你的客户还想要不同颜色,你需要准备三原色,根据配色表和客户的喜好进行装配。

生命的网络也是如此,基因有数不清的组合方式。正如你可以把各种不同轮胎大小、发动机马力、颜色和组织方式进行随意搭配,就有无数种可能性,组合结果常常成指数级增长。例如你要在网络上做一个咖啡的产品组合,那么需要考虑到咖啡加奶还是豆汁,奶是常温还是热的,加不加糖,糖是白糖、红糖还是糖精,简单的几项就有上百种产品生成。

自生命诞生以来,就是基于上述自组织性和标准化之下,进行尝试组合,也正是因为有这样多种可能性,才会有生命的丰富多彩。

4、坚韧性

当你有了这样一个能够自动化运转,储备完备标准零件的工厂时,按道理说你就可以加工生产任何东西了,但这样还不行。你得根据市场行情来随时调整生产战略。

例如红色甲壳虫汽车的组合目前在市场上大受欢迎,那么你就会多出产这样的车型,而淘汰掉其他可能的尝试。大众也不是一下子就能够接受你新颖的概念性设计,你得在现有成功车型的基础上,尝试组合优化,进行创新。

比如你可以改良内在的发动机,而对于车辆外观却不做什么改变,因为市场接受这样的造型。生物体也会如此,基因型发生变化而表现型却不一定随之变化,这就是发育稳态,或者叫做坚韧性。

上述四者之间的关系,用瓦格纳在《适者降临》一书中的总结如下(以下括号内为笔者所加):

多变的环境催生了生物的复杂性,而复杂性促成了发育稳态(即4坚韧性),发育稳态继而造就了基因型网络(即3组合网络),而基因型网络的存在让进化成为可能,使得生物能够通过演变适应环境的变化、提高自身的复杂性(依赖于2标准化),循环往复,生物进化通过这种方式螺旋上升。这种进化方式的核心在于处在多维空间的基因型网络的自组织性(即1自组织性)。自组织性是生命绚烂光彩背后的支持者,它是隐藏的生命建筑师。

总结

瓦格纳这副药方之所以能够治疗达尔文的“痛风”,是因为:

其一、解释了突变是在一个可以选择的基因组合网路里,随着环境的变化,慢慢凸显出来的。也正是庞大可能的变异网络存在,让许多基因突变看起来是中性的,实则在自然环境变化的情况下,凸显出优势来,从而解决了中性理论的难题。

其二、从化学和分子生物学层面,解释了基因的表观如何发生作用,因此也融合了表观遗传学,从而让达尔文的理论不再跛脚。

最后,还可以回答萧伯纳与邓肯的问题,他们的子女可能是以下多种可能组合:

A.继承了萧伯纳的聪明和邓肯的美貌

B.继承了萧伯纳的聪明和萧伯纳的丑陋

C.继承了萧伯纳的丑陋和邓肯的美貌

D.继承了邓肯的美貌和邓肯的愚蠢

E.其他(继承了萧伯纳x%的智慧和邓肯y%的智慧,和萧伯纳α%的外貌和邓肯β%的外貌)

不试一试,你怎么能知道呢?萧先生!